第一作者：张殷泽

通讯作者：王东博研究员、贺雯助理教授、王金忠教授

通讯单位：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202523704

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基于硅基集成电路的红外光通信光探测器的单片集成在现代商业和军事通信应用中具有重要意义。由于Bi₂Te₃具有窄带隙特性，在红外光电探测中有着巨大的应用潜力。然而，在硅基衬底上实现其直接生长和大尺寸单片集成是一个巨大的挑战，这有助于拓展其在红外光通信波段的应用。我们在氩等离子体预处理的SiO₂/Si衬底上直接合成了亚微米级尺寸的Bi₂Te₃单晶片。衬底经过3 min的预处理，生长得到的单晶片最大的横向尺寸达到0.16 mm。此外，Bi₂Te₃场效应晶体管（FET）的开关比可达1.4×10⁶，迁移率为107.4 cm² V⁻¹ s⁻¹。Bi₂Te₃光电探测器在1550 nm处的响应度和探测率分别为5.21 A W⁻¹和7.52×10¹²Jones，2275 nm处的响应度和探测率分别为0.26 A W⁻¹和2.74×10¹¹Jones，同时具有良好的红外成像性能。这一工作不仅为优化二维材料在硅基衬底上的集成提供了指导，而且凸显了二维Bi₂Te₃在红外探测和通信中的巨大潜力。

背景介绍

红外光通信波段的光电探测在灾害预警、空间通信、自动驾驶等领域有着广泛的应用。特别是红外光在雾、雨等恶劣天气条件下的优异穿透能力，使其在现代商业和军事应用中具有重要意义。最佳的红外探测材料应具备良好的兼容性，并与传统的互补金属-氧化物-半导体技术兼容，以满足功能集成的要求。传统的红外探测材料如超晶格材料，由于其合适的禁带宽度和良好的探测性能，目前成为红外探测器的主流。然而，超晶格材料的制备需要采用分子束外延技术，存在设备昂贵、生长速度慢等缺点。因此，迫切需要开发新型的红外探测材料，以满足高性能、低成本的红外光通信波段的光电探测。由于二维Bi₂Te₃材料具有窄带隙（0.15 eV）和高光吸收的特点，在红外光电探测中具有良好的应用前景。然而，制备大尺寸、高质量、CMOS兼容性好的二维Bi₂Te₃材料仍然是一个重大挑战。

研究出发点

1）本研究采用化学气相沉积（CVD）方法，在经氩等离子体预处理的SiO₂/Si衬底上制备了二维Bi₂Te₃单晶。其中，氩等离子体预处理可以有效去除有机污染物和活化惰性非晶SiO₂表面。

2）在生长得到的二维Bi₂Te₃单晶的基础上，原位制备场效应晶体管器件，对器件在不同温度下的电学性能进行分析，进一步通过测试器件在不同温度下的光电响应验证低温对Bi₂Te₃单晶本征激发的抑制作用。

3）为了验证Bi₂Te₃光电探测器的红外光通信能力，在单点成像系统上，评估了探测器对“H I T”图案在1550 nm波长光源下的成像表现。

图文解析

将SiO₂/Si衬底经Ar等离子体预处理3，5和10分钟，随后通过LPCVD工艺在其表面沉积二维Bi₂Te₃单晶，发现单晶的最大横向尺寸随着预处理时间的延长而逐渐减小，而衬底表面的形核密度逐渐增大。此外，通过AFM表征分析，我们发现样品的粗糙度也随着预处理时间的延长而逐渐增加。这表明Ar等离子体预处理不仅可以有效去除残留的污染物，还可以创造出形核位点。随着预处理时间增加，衬底表面的形核位点快速增加，经LPCVD工艺生长过后，二维Bi₂Te₃单晶的形核密度也随之增大，不利于获得较大尺寸的单晶。此外，等离子处理时间过长也会增加衬底表面的粗糙度，使单晶样品的粗糙度也随之增大。随后调控压强和载气流量等参数，得到最大横向尺寸为0.16 mm的二维Bi₂Te₃单晶。

图1. 衬底不同预处理时间下得到的二维Bi₂Te₃单晶

采用LPCVD法合成了高质量的二维Bi₂Te₃单晶，并对其结构进行了详细的表征。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像显示，二维Bi₂Te₃单晶具有典型的层状晶体结构，能谱图则进一步确认了材料与硅基衬底的良好兼容。Raman光谱测试得到了碲化铋典型的特征振动模式，X射线衍射光电子能谱（XPS）用于测试样品的化学环境，结果表明具有Te 3d和Bi 4f的特征峰。

图2. 二维Bi₂Te₃单晶的合成和结构表征

为了确认二维Bi₂Te₃单晶的电学特性，我们在原位制备背栅FET器件。输出曲线表明器件具有良好的接触特性，输出电流随着栅极电压的增大而提高。不同温度下的转移曲线显示低温可以明显改善器件的导通特性，器件的开关比和迁移率均随着测试温度的降低而增加。在82 K下，二维Bi₂Te₃ FET的开关比可达1.4×10⁶，迁移率为107.4 cm² V⁻¹ s⁻¹。

图3. 二维Bi₂Te₃单晶的电学特性

为了验证二维Bi₂Te₃光电探测器在红外光通信波段的探测能力，进一步开展了一系列器件对1550 nm波长光源的光电响应试验。I-V曲线和I-t曲线分析确认了该红外探测器在不同功率密度（P）下表现出优异的光探测能力。光电流（I_ph）代表电流在光照下的增益，I_ph–P曲线显示I_ph随着功率密度的增加而增加，拟合系数θ约为0.91，证明两者依赖关系近似线性。此外，多循环的光电响应曲线显示出该探测器具有优异的稳定性和可靠性。同时，由于低温对Bi₂Te₃单晶本征激发和电子-声子耦合作用的抑制，随着测试温度的降低，探测器的暗电流逐渐降低，而在光照下的电流则逐渐升高，使得器件的响应度和探测率都在82 K下达到最大值，分别为5.21 A W⁻¹和7.52×10¹² Jones。

图4. 二维Bi₂Te₃光电探测器在1550 nm光照下的光电响应

为了评估二维Bi₂Te₃光电探测器在红外光通信波段的成像能力，我们选择了带有“H I T”图案的掩模版，测试器件在1550 nm光源照射下的单点成像表现。具有镂空图案“H I T”的掩模版被放置在一个电动台上，可以在平面内X和Y方向上移动。掩模版置于器件和光源之间，用来控制光线的通过，当掩模版移动到可以挡住光线的位置时，器件显示暗电流，移动到镂空位置时，器件获得光电流增益。随后，数字源表（4200A-SCS）将读到的电流传输给计算机重构成电流mapping图像。图像表现出轮廓清晰、高对比度的“H I T”图案，证明了该器件出色的成像能力。

图5. 二维Bi₂Te₃光电探测器的成像能力

总结与展望

综上所述，我们设计了一种在经氩等离子体预处理的SiO₂/Si衬底上直接合成大尺寸二维Bi₂Te₃单晶的CVD方法；该方法制备的材料具有良好的CMOS兼容性，在红外光通信波段下具有良好的光电探测性能和成像能力。在最佳的预处理时间和生长条件下二维Bi₂Te₃单晶的最大横向尺寸达到0.16 mm，显示了在硅基衬底上无需转移工艺即可实现大尺寸单片集成的潜力。原位制备了二维Bi₂Te₃背栅FET器件，在82 K时，器件的开关比为1.4×10⁶，迁移率为107.4 cm² V⁻¹ s⁻¹。此外，在1550 nm激光辐照下，Bi₂Te₃光电探测器在300 K时表现出0.12 A W⁻¹的高响应度和1.94×10¹⁰ Jones的探测率。随着测试温度的逐渐降低，电子-声子耦合减弱，Bi₂Te₃光电探测器的响应度和探测率逐渐升高。温度为82 K时，响应度和探测率分别达到最大值的5.21 A W⁻¹和7.52×10¹² Jones。此外，由于其超低暗电流，该器件具有灵敏的红外光响应，最大探测波长可达2275 nm。总之，本文提出了一种在硅基衬底上直接合成大尺寸二维Bi₂Te₃单晶的方法，为其在灵敏红外探测和光通信中的进一步应用奠定了基础。

课题组介绍

王金忠教授课题组主页：https://homepage.hit.edu.cn/jinzhongwang

原文信息

Y. Zhang, D. Wang, W. He, C. Zhao, D. Ling, Q. Geng, L. Chen, W. Wu, X. Fang, G. Liu, L. Zhao, D. Jiang, J. Wang, Adv. Funct. Mater. 2025, e23704.